激光加工在模具行业的设计及应用

激光加工在模具行业的设计及应用

      为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革。本文首先介绍了工业加工激光器，然后在模具激光制造、模具表面激光强化和替代、模具激光修复、模具激光清洗等几个方面进行了介绍和分析。

工业加工激光器

    目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG激光器为代表；而气体激光器则以CO2激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。

    1) Nd:YAG激光器

    Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的Nd:YAG棒，其激光波长为1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到YAG棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。但由于Nd:YAG激光器可以通过Q开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为355nm（紫外），在激光立体造形技术中得到应用。

    2) CO2激光器

    CO2激光器的激光工作物质为CO2混合气体，其主要应用的激光波长为10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。

    国内外用于激光加工的大功率CO2激光器，主要是横流、轴流激光器。①横流激光器：横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接。我国目前已能生产各种大功率横流CO2激光器系列，可满足了国内激光热处理和焊接的需求。②轴流激光器：轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接，我国激光切割设备市场主要由国外轴流激光器所占领。尽管国内激光器厂商在国外轴流激光器上做了许多工作，但由于主要配件还需进口，产品价格难以大幅度下降，普及率低。

    武汉博莱科技发展有限公司研制了一种旋流CO2激光器，如图1所示，以新型的旋转气体流动方式，使旋流CO2激光器同时具有了轴流CO2激光器光束质量好和横流CO2激光器造价低、体积小的优点。该种工业加工激光器的推广应用，将对我国激光加工产业的发展和普及起到积极的促进作用。

模具激光制造

    1) 激光间接成模工艺

    ① 立体光造形(Stereo Lithography Apparatus，简称SLA)工艺是利用紫外激光束逐层扫描光固化胶的方法形成三维实体工件的。1986年美国3D Systems公司推出了商品化样机SLA-1。SLA工艺的最高加工精度能达到0.05mm。②薄层叠片制造(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，由美国Helisys公司于1986年研制成功。通过反复CO2激光器切割和材料粘贴，得到分层制造的实体工件。LOM工艺的特点是适合制造大型工件，其精度达到0.1mm。③选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)工艺是利用粉末状材料成形的，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于1989年研制成功，通过用高强度的CO2激光器逐层有选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件，SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。

    上述三种激光快速成形技术由于发展时间长，技术相对比较成熟，在国内外都得到了较为广泛的应用。但上述方法形成的三维工件都不能直接作为模具使用，需要进行后续的处理，所以称之为激光间接成模工艺。主要的处理方法有：①快速成形工件处理后用作模具。LOM制作的纸模经表面处理直接代替砂型铸造木模；或者用LOM制作的纸模具经表面处理直接用作低熔点合金铸模、注塑模；或失蜡铸造中蜡模的成形模。SLS制作的工件经渗铜后，作为金属模具使用。②用快速成形件作母模浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作软模具。③用快速成形件翻制硬模具。一种是直接用LOM制作纸基模具，经表面金属电弧喷镀和抛光后研成金属模；另一种是金属面硬背衬模具。上述硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉伸模。

    用上述激光间接成模工艺制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩短制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。但是，目前还存在着模具寿命相对较短的缺点，所以上述激光间接成形模具较适合于小批量生产。

2) 激光直接成模工艺

    选择性激光熔化(Selective Laser Melting，简称SLM)技术是在选择性激光烧结(SLS)技术的基础上发展起来的。SLM的特点为：(1)使用高功率密度，小光斑的激光束加工金属，使得金属零件具有0.1毫米的尺寸精度；(2)熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对密度几乎能达到100％，大大改善了金属零件的性能； (3)由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能。图2所示为德国EOS GmbH公司利用选择性激光熔化(SLM)工艺制造的全金属零件。

    激光多层（或称三维/立体）熔覆直接快速成形技术是在快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项高新制造技术，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有均匀细密的枝晶组织和优良的质量，其密度和性能与常规金属零件相当。激光多层熔覆发展出了多种方法，其中最具代表性的是美国Sandia国家实验室（Sandia National Laboratories）研发的称作激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shaping，简称LENS)的金属件快速成形技术。采用该方法已成功制造了不锈钢，马氏体时效钢，镍基高温合金，工具钢，钛合金，磁性材料以及镍铝金属间化合物工件，零件致密度达到近乎100%。图3为美国Sandia国家实验室以LENS技术制造的金属模具。

    选择性激光熔化(SLM)技术和激光工程化净成形(LENS)技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高，制成的模具寿命长的特点，已得到了工业界和学术界的普遍重视，在国外已推出了多种设备样机，有的甚至开始商品化了；而国内目前的研究和应用还处于起步阶段。

    另外，还有一种基于激光精细切割的金属零件分层制造技术（LOM），具有可快速、低成本制造大型、复杂形状的模具的特点。日本中川威雄研究室早在80年代就应用金属薄板 LOM技术实现了金属模具的分层快速制造。经过发展，金属薄板LOM技术已逐渐应用于诸如汽车等大型内外饰件模具及具有复杂流道注塑模的制造。

模具表面激光改性

    模具表面处理一直是机械加工领域中所重视的问题。随着新技术新工艺的发展，有许多传统的处理方式已不太适用。对形状复杂的模具，最理想的表面处理方式是用激光进行，它几乎不变形，表面硬度比常规处理方式的硬度高，并且更耐磨，使用寿命更长。

    1) 激光相变硬化

激光相变硬化又称激光淬火。由于激光淬火时冷却速度远远超过常规淬火冷却速度，从而可以获得极细的马氏体组织。激光相变硬化的优点为硬度较常规淬火高、变形小、可实现表面薄层和局部淬火，不影响基材的机械性能等。

    2) 激光冲击强化

    激光冲击强化是高功率密度、短脉冲的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的技术。在激光冲击过程中，由于激光诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服应力，从而使材料产生密集、均匀以及稳定的位错结构，使金属表面发生塑性变形，并形成较深残余压应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。其主要优点为：冲击压力高，强化深度达到传统的喷丸强化深度4～8倍；能够加工传统工艺不能处理的部位，如小槽、小孔以及轮廓线之类；激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，无热应力损伤，不会引起相变等。

    3) 激光合金化和激光熔覆

    激光合金化和激光熔覆是将一层与模具基体成分不同而具有一定性能的材料涂覆在模具基体，同时用高能激光束照射涂覆区域。激光合金化通过调节激光输出功率使涂覆材料与部分基体一起熔化并发生合金化过程；而激光熔覆是涂覆层在激光作用下与基体表面通过融合迅速结合再一起，它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本不变化，基体的成分基本上不进入涂层内。基于快速凝固新材料合成与制备的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技术，是提高模具材料在高温下耐磨耐蚀等高温性能的最有效方法之一。

模具激光修复

模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废，而且金属模具的加工周期长、加工费用高。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前常采用的维修技术有电镀、堆焊和热喷涂等。电镀层较薄，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复；在堆焊、喷涂时，热量注入大，模具热影响区大。而应用激光进行模具维修，由于激光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略。模具的激光修复可采用的方法主要有两种：

    1) 激光熔覆模具修复

利用激光熔覆的方法实现对模具的修复。用高功率CO2激光束以恒定功率与金属粉流同时入射到模具表面上，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。此方法一般采用大功率CO2激光器作为热源，适用于体积较大、磨损面积较大的模具修复，以及象钢铁轧辊一类的大型工件的修复。

    2) 激光沉积焊接模具修复

    激光沉积焊接模具修复采用中小功率脉冲Nd:YAG激光器，模具的缺陷用激光束和丝状填充材料来填补。激光束使焊丝和工件的表面同时熔化，所需沉积物的高度是通过多层焊接的方法来达到的；焊接完毕，模具部件再加工成最终尺寸。此方法适用于体积较小的精密模具。Rofin-Sinar公司制造的 StarWeld焊接机是比较具有代表性的此类设备，如图4所示。

模具激光清洗

    应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物是激光技术在模具行业中的又一用途。其清洗机理有两个：一是直接利用激光加热污物，使之气化挥发、或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离模具基体表面；还有就是在高能量密度、高频率的脉冲激光作用下，污物层内产生分裂应力，而与模具基体脱离。与传统的喷沙清洗方法相比，激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗(可节约大量拆卸、安装、调试时间)的优点。目前，德国JET激光系统公司生产的激光清洗设备相对较为先进。

结束语

    激光的高亮度、高方向性和高单色性使激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能加工几乎所有的材料。激光加工在国外各个制造领域和行业已得到了广泛的应用；而国内也一直在激光加工设备和激光加工工艺两个方面投入大量的人力物力进行研究和发展。模具是工业产品成型的重要工业装备之一，在很大程度上决定企业在市场竞争中的应变能力，模具成型已成为现代工业产品重要的手段和工艺发展方向。激光加工应用于模具制造和在某些场合取代模具 (如激光切割取代钣金件中的冲切模具、激光打标取代冲模打标)方面具有很大优势。如何在实际生产中应用激光加工技术来缩短模具制造周期（T）、保证模具制造质量（Q）和降低模具制造成本（C），需要进行不断的深入研究和探索。